超高速率超大容量建設(shè)用光纖技術(shù)

超高速率、超大容量、超長(zhǎng)距離的光纖傳輸技術(shù)是解決通信網(wǎng)未來帶寬需求的關(guān)鍵技術(shù)之一。在系統(tǒng)單信道速率向100 Gb/s甚至1 Tb/s演進(jìn)過程中，傳統(tǒng)的G.652.D低水峰光纖仍將發(fā)揮重要作用。超高速率超大容量光纖通信在器件、調(diào)制格式、接收檢測(cè)方式等方面的創(chuàng)新，對(duì)通信光纖的性能提出了新的要求。進(jìn)一步降低光纖損耗可以延長(zhǎng)中繼距離；大有效面積光纖可以提高注入信道光功率，降低非線性效應(yīng)，提高鏈路光信噪比（OSNR）。多芯光纖和少模光纖，可以增加空分復(fù)用維度，是未來突破光纖香農(nóng)極限的研究方向之一。

光纖通信；超低損耗光纖；大有效面積光纖；少模光纖；多芯光纖

Ultrahigh-speed， ultralarge-capacity， ultralong-haul transmission are key to solving bandwidth shortage problems. As transmission speeds approach 100Gbit/s or even 1Tbit/s per channel， the standard G.652.D low-water peak fiber will still be important in high-speed， long-haul systems. New requirements on the optical fiber have emerged because modulation methods have evolved， and new innovations have been made in coherent detection and devices. The repeater distance can be increased by further decreasing the optical fiber attenuation coefficient. The nonlinear coefficient decreases as the effective area increases in the large effective area fiber （LEAF）. The OSNR of the fiber can be improved by increasing the input channel signal power. Multicore fiber and few-mode fiber can be used in space-division multiplex to avoid problems related to the Shannon limit.

optical fiber telecommunication； ultralow-loss fiber； large effective area fiber； few-mode fiber； multicore fiber

隨著互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用基礎(chǔ)上的移動(dòng)電話用戶數(shù)和固網(wǎng)接入用戶數(shù)的持續(xù)增加，以及這些用戶的傳輸需求從語音和文字發(fā)展到圖片、視頻和其他類型的超大數(shù)據(jù)流，人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求日益迫切。因此造成作為基礎(chǔ)的光纖傳輸網(wǎng)面臨巨大的擴(kuò)容壓力?！皩拵е袊?guó)”戰(zhàn)略提升了運(yùn)營(yíng)商投資光纖網(wǎng)絡(luò)的興趣，這些投資將在未來幾年內(nèi)給運(yùn)營(yíng)商帶來直接的回報(bào)。但由于投入產(chǎn)出巨大的剪刀差，電信業(yè)的毛利率在逐年下降，電信運(yùn)營(yíng)商越來越關(guān)注網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。光纖通信技術(shù)在21世紀(jì)初依然保持著高速發(fā)展的勢(shì)頭，通信容量預(yù)計(jì)在未來10年左右將達(dá)到單根光纖的香農(nóng)極限[1]。因此光纖廠商需要根據(jù)光纖通信技術(shù)的變化研發(fā)光纖新技術(shù)，更好地服務(wù)于通信光纖網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。而從運(yùn)營(yíng)商角度考慮，如何利用好已大規(guī)模應(yīng)用的G.652.D光纖來實(shí)現(xiàn)超大容量、超高速率系統(tǒng)傳輸技術(shù)的演進(jìn)？如何選用新的光纖技術(shù)來實(shí)現(xiàn)未來網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容和投資回報(bào)的平衡？這些將是本文探討的問題。

1 超高速率超大容量傳輸

系統(tǒng)

1.1 實(shí)際的傳輸系統(tǒng)

目前的光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)主流設(shè)備多是40G的波分復(fù)用系統(tǒng)，也存在部分100G的波分復(fù)用系統(tǒng)在建商用工程。這些工程采用了多種光纖光纜，如G.652光纖、LEAF光纖、G.655光纖、超低損耗光纖制作的光纖復(fù)合架空地線（OPGW）光纜等。特別是一些實(shí)際傳輸工程是在已經(jīng)安裝的G.652.D線路上實(shí)現(xiàn)的，這將在最大程度上保護(hù)運(yùn)營(yíng)商的資產(chǎn)安全。例如中興通訊在2012年OFC會(huì)議上報(bào)道了采用8個(gè)信道，單信道216.4 Gb/s的速率，實(shí)現(xiàn)了1 750 km普通單模光纖上的傳輸系統(tǒng)，頻譜效率達(dá)到了4 b/s/Hz[2]。美國(guó)Verizon公司在2012年OFC上會(huì)議報(bào)道了采用超級(jí)信道技術(shù)在1 503 km普通單模光纖中傳輸了21.7 Tb/s的工程[3]。8×216.4 Gb/s大容量傳輸工程現(xiàn)實(shí)中鏈路（總長(zhǎng)1 750 km的G.652光纖）具體情況如表1、圖1所示。

1.2 大容量傳輸實(shí)驗(yàn)

構(gòu)建超高速率、超大容量、超長(zhǎng)距離的光纖傳輸網(wǎng)有多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式。從已經(jīng)報(bào)道的傳輸實(shí)驗(yàn)來看，它們?cè)诩夹g(shù)上各有特色，在實(shí)驗(yàn)中也選擇不同類型的光纖，以達(dá)到速率、容量和距離上匹配的傳輸目的。例如Alcatel公司在2002年報(bào)道成功實(shí)現(xiàn)了256個(gè)信道，單信道42.6 Gb/s的密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)在常規(guī)單模光纖中傳輸100 km，系統(tǒng)總?cè)萘恳呀?jīng)可達(dá)到10.24 Tb/s的實(shí)驗(yàn)，其頻譜效率是1.28 b/s/Hz[4-6]。而光孤子通信技術(shù)則是采用超短光脈沖，由于光孤子在光纖的反常色散區(qū)中群速度色散和非線性效應(yīng)相互平衡，因而，經(jīng)過光纖長(zhǎng)距離傳輸后，光孤子波形和速度都保持不變。2001年朗訊公司報(bào)道成功實(shí)現(xiàn)了采用光孤子技術(shù)在4 000 km的色散管理線路上的太比特大容量的傳輸實(shí)驗(yàn)[7]。光時(shí)分復(fù)用（OTDM）是增加通道數(shù)據(jù)速率的一種實(shí)現(xiàn)方法。2010年ECOC會(huì)議上Pengyu Guan等人報(bào)道了采用OTDM方法實(shí)現(xiàn)單信道1.28 Tb/s傳輸525 km由色散管理鏈路構(gòu)成的傳輸線路。該文中提到的信號(hào)源是1.6 ps鎖模激光器經(jīng)過啁啾脈沖壓縮到600 fs的超短光脈沖。光信號(hào)脈沖經(jīng)過525 km光纖傳輸后脈沖寬度展寬到650 fs，在長(zhǎng)距離傳輸方面存在一定的技術(shù)挑戰(zhàn)[8]。而近幾年來隨著100G技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)、器件等方面的成熟，主流技術(shù)均采用偏振復(fù)用、相位調(diào)制方法和相干檢測(cè)技術(shù)。在100G傳輸技術(shù)的光纖選擇方面，采用G.652光纖和常規(guī)的摻鉺光纖放大器（EDFA）放大技術(shù)，傳輸線路單個(gè)跨段大約在50 km左右，這種配置可以實(shí)現(xiàn)超過1萬公里的超長(zhǎng)距離、單波長(zhǎng)速率超100G以上、總?cè)萘砍忍氐牟ǚ謴?fù)用（WDM）傳輸系統(tǒng)。如采用EDFA和拉曼放大混合技術(shù)，則可以提高跨段長(zhǎng)度，如80 km，但缺點(diǎn)是會(huì)降低傳輸系統(tǒng)的最大傳輸長(zhǎng)度[9]。而采用超低損耗的光纖，例如1 550 nm的損耗典型值為0.163 dB/km G.652光纖，則可以將單波長(zhǎng)速率112 Gb/s的信號(hào)，在單跨段長(zhǎng)度100 km和拉曼放大的線路上傳輸超過1萬公里，系統(tǒng)的總?cè)萘靠蛇_(dá)4.48 Tb/s。近年來光纖通信技術(shù)又有突破，單信道速率已經(jīng)超過100 Gb/s，達(dá)到400 Gb/s或1 Tb/s。Bell實(shí)驗(yàn)室在2011年美國(guó)光纖通信展覽會(huì)（OFC）上報(bào)道了采用高階的相位正交振幅調(diào)制（QAM）和相干檢測(cè)方式實(shí)現(xiàn)了在4 800 km的大有效面積光纖中傳輸3×485 Gb/s的信號(hào)，頻譜效率高達(dá)4 b/s/Hz[10]。在單信道太比特傳輸方面，YiRan Ma等人2009年首次報(bào)道了單信道1 Tb/s在普通單模光纖中傳輸600 km的技術(shù)，其頻譜效率為3.3 b/s/Hz[11]。2011年和2012年通過器件、算法和系統(tǒng)等方面的優(yōu)化，單信道太比特傳輸?shù)木嚯x得到大幅度的提高，更貼近實(shí)用化水平。這些傳輸技術(shù)從40G到100G，再到1太比特的演進(jìn)，有的方案采用了近年來最新推出的超低損耗光纖、大有效面積光纖或色散管理線路等，但也有很多超高速率、超大容量的傳輸方案依然采用了常規(guī)的G.652光纖。為更好對(duì)比各種傳輸方案， 我們將部分信息摘錄于表2中。表2中的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（SSMF）表示無特殊性能指標(biāo)優(yōu)化的G.652光纖。

通過分析全球光纖通信工程和傳輸實(shí)驗(yàn)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合傳輸技術(shù)對(duì)光纖的要求，本文認(rèn)為光纖技術(shù)發(fā)展的方向?yàn)椋?/p>

（1）G.652.D光纖在超高速率光纖傳輸網(wǎng)的建設(shè)中仍然將發(fā)揮重要作用，并且色散將不再是制約系統(tǒng)傳輸距離的主要因素。在大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景，G.652.D光纖仍然具有良好的性能價(jià)格比。

（2）低損耗的單模光纖和超低損耗的單模光纖，在需要長(zhǎng)跨段的應(yīng)用場(chǎng)景，有助于提高光纖鏈路的OSNR。

（3）大有效面積單模光纖，包括低損耗的大有效面積光纖，既降低了光纖的非線性效應(yīng)，又提高鏈路的OSNR，應(yīng)用于海底光纜及超長(zhǎng)距離無中繼傳輸?shù)忍厥鈭?chǎng)合具有較好的技術(shù)實(shí)用性。但是G.654光纖存在與普通單模光纖的熔接兼容性差，截止波長(zhǎng)偏大、拉曼增益小等問題。目前國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU-T）已經(jīng)修訂了G.654系列標(biāo)準(zhǔn)。

2 光纖技術(shù)的發(fā)展歷程和

中國(guó)光纖產(chǎn)業(yè)的技術(shù)

突破方向

2.1 光纖技術(shù)的發(fā)展歷程

從1970年世界上第一根光纖拉制出來，到光纖的衰耗降到20 dB/km的實(shí)用化水平，光纖技術(shù)的進(jìn)步一直依賴于材料技術(shù)的突破和設(shè)備技術(shù)的進(jìn)步。而1998年零水峰光纖概念的初次出現(xiàn)，為光纖制造廠商打開了二氧化硅光纖脫羥基的工藝路徑，全世界光纖廠商通過對(duì)設(shè)備和工藝的改造實(shí)現(xiàn)了低水峰光纖的規(guī)?；a(chǎn)。21世紀(jì)初單模光纖的新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)將低水峰光纖列為G.652. C和G.652.D兩個(gè)子類，并迅速地獲得了光傳輸市場(chǎng)的認(rèn)可。2002年超低損耗概念光纖的實(shí)驗(yàn)室水平已接近石英光纖的極限（0.1484 dB/km）[12-19]，但是由于光纖工藝和設(shè)備的局限帶來的成本上升，該光纖并沒有獲得市場(chǎng)的認(rèn)可。EDFA的普遍使用克服了光纖衰耗的問題，超低損耗光纖也沒有列入光纖標(biāo)準(zhǔn)研究。在2.5G和10G建設(shè)過程中，由于色散和偏振模色散（PMD）對(duì)信號(hào)的損傷，光纖鏈路中必須進(jìn)行色散補(bǔ)償和PMD補(bǔ)償。色散補(bǔ)償光纖（DCF）的研發(fā)成功解決了線路色散的問題，而光纖拉絲過程中搓扭技術(shù)的實(shí)現(xiàn)使得光纖鏈路的PMD值大大改善。這些技術(shù)的發(fā)展使得G.652.D光纖大規(guī)模地應(yīng)用在10G到40G的傳輸工程建設(shè)上。

2.2 超低損耗光纖技術(shù)仍有待突破

光纖技術(shù)發(fā)展的主線之一，是在光纖損耗、色散、偏振模色散、非線性系數(shù)等指標(biāo)的不斷完善、以及這些指標(biāo)與光纖工作窗口、系統(tǒng)傳輸技術(shù)之間的平衡。近年來，新調(diào)制格式和相干檢測(cè)方式極大地克服了光纖鏈路的色散導(dǎo)致的傳輸距離限制，這使得進(jìn)一步降低光纖衰減和非線性系數(shù)又成為關(guān)注的重點(diǎn)。

光纖的損耗水平是與制造光纖的材料、工藝、設(shè)備技術(shù)緊密相關(guān)的。光纖在通信窗口的損耗主要來自材料的紅外和紫外吸收拖尾、水峰吸收、散射損耗、彎曲損耗和缺陷帶來的損耗。采用低水峰工藝制備的光纖，其損耗最大來源是散射損耗。通信光纖的散射損耗包括線性散射和非線性散射。非線性散射主要是受激拉曼散射和受激布里淵散射。而光纖中的線性散射主要是瑞利散射。光纖中瑞利散射是由于光纖芯子中摻雜的二氧化鍺的密度與濃度起伏所引起。而摻雜二氧化鍺的主要目的是增大光纖芯子的折射率，形成單模光纖的波導(dǎo)。要進(jìn)一步降低光纖的損耗，需要降低部分瑞利散射損耗，最佳的途徑是采用單一材料的純硅芯。而為了形成波導(dǎo)，必須在純硅芯外沉積摻氟的包層，這對(duì)設(shè)備、工藝和波導(dǎo)設(shè)計(jì)等方面提出了很大挑戰(zhàn)。在超低損耗光纖的制備上，由于該類光纖的材料結(jié)構(gòu)與普通G.652光纖區(qū)別很大，需要通過摻氟工藝實(shí)現(xiàn)折射率降低的光學(xué)包層來滿足光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的需要。從材料的角度看，純硅芯光纖由于二氧化硅芯層材料全部是玻璃網(wǎng)絡(luò)形成體，未摻雜網(wǎng)絡(luò)修飾體，使得玻璃網(wǎng)絡(luò)的致密性與均勻性提高。因此純硅芯光纖可以最大程度上克服摻雜引起的密度與濃度起伏，也就降低了瑞利散射損耗。但是，由于玻璃網(wǎng)絡(luò)的致密性，導(dǎo)致其芯子羥基（-OH）脫除更困難，因此，純硅芯光纖較難實(shí)現(xiàn)去除水峰，達(dá)到低水峰標(biāo)準(zhǔn)。純硅芯光纖的另外一個(gè)弊端是工藝過程的復(fù)雜性和制備難度導(dǎo)致產(chǎn)能有限，光纖的制造成本會(huì)有所上升。圖2給出了G.652和超低損耗光纖的折射率示意圖。超低衰減光纖能否大規(guī)模應(yīng)用還有待市場(chǎng)的檢驗(yàn)。

2.3 提高光纖的有效面積是光纖

研發(fā)的方向之一

大有效面積（LEAF）光纖在超高速率、超大容量傳輸系統(tǒng)中受到重視，是因?yàn)楣饫w有效面積的提高，可以使得光纖的非線性系數(shù)從常規(guī)單模光纖的1.26 w-1km-1降到大有效面積光纖的大于等于1 w-1km-1， 甚至減小到一半。非線性系數(shù)降低的優(yōu)點(diǎn)是可以讓注入光纖信號(hào)光最優(yōu)功率的提高和光纖鏈路單跨段長(zhǎng)度的增大。這樣的配置可以減小網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的中繼放大的需求，在特殊網(wǎng)絡(luò)建設(shè)場(chǎng)合具有較大優(yōu)勢(shì)，例如海纜通信等。國(guó)際電信聯(lián)盟已修訂了截止波長(zhǎng)位移單模光纖的G.654光纖標(biāo)準(zhǔn)，其主要特征是根據(jù)光纖在1 550 nm處的不同有效面積等指標(biāo)劃分了類別，以便更好地指導(dǎo)光纖制造與使用，詳細(xì)情況請(qǐng)參見表3。在海纜通信建設(shè)方面，為減少海底放大器數(shù)量，除了要求擴(kuò)大光纖1 550 nm的模場(chǎng)外，還要求進(jìn)一步降低光纖的損耗。該類光纖的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求更為復(fù)雜，如果同時(shí)要實(shí)現(xiàn)更低的光纖損耗，制造難度會(huì)增大。超低損耗大有效面積光纖的制造成本會(huì)有一定幅度的上升。

大有效面積超低衰減光纖目前主要應(yīng)用于海底光纜。據(jù)住友公司網(wǎng)站介紹，其純硅芯大有效面積超低衰減光纖從20世紀(jì)80年代開始應(yīng)用，到目前為止銷售總量已超過100萬公里。與每年上億公里的G.652.D光纖相比，這仍然是一個(gè)細(xì)分的應(yīng)用。與普通超低衰減光纖類似，大有效面積超低衰減光纖能否大規(guī)模應(yīng)用于陸上大容量、超長(zhǎng)距離傳輸，仍然取決于制造技術(shù)的突破和成本的降低，取決于整個(gè)傳輸系統(tǒng)的性價(jià)比能否得到大幅改善。

2.4 多芯、少模光纖等新概念光纖是

中長(zhǎng)期研究方向

由于香農(nóng)極限限制了單根光纖的傳輸容量（100 Tb/s），為了解決未來通信網(wǎng)擴(kuò)容的壓力，研究人員做了很多探索。這些探索研究包括少模光纖和多芯光纖等新型光纖以及采用這些新光纖做的傳輸實(shí)驗(yàn)。例如：Fatih Yaman等人[20]在2010年報(bào)道成功實(shí)現(xiàn)了總?cè)萘繛?0×112 Gb/s信號(hào)在5 032 km的少模光纖中的傳輸實(shí)驗(yàn)。少模光纖的精確剖面設(shè)計(jì)，可使同一根光纖支持多個(gè)不同的模式復(fù)用傳輸，進(jìn)一步擴(kuò)大了通信復(fù)用的維度，提升了傳輸?shù)膸?。少模光纖的優(yōu)點(diǎn)是光纖設(shè)計(jì)理論完善、工藝技術(shù)成熟和制備技術(shù)可行。Jun Sakaguchi等人在2012年OFC會(huì)議上報(bào)道了世界上最大容量的傳輸實(shí)驗(yàn)結(jié)果[21]，在一根10.1 km的19芯光纖里面?zhèn)鬏斄?05 Tb/s的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)的頻譜效率高達(dá)30.5 b/s/Hz。多芯光纖被認(rèn)為是最有希望在未來突破光纖香農(nóng)極限的光傳輸網(wǎng)擴(kuò)容技術(shù)。多芯光纖領(lǐng)域的研究集中在日本。日本光纖廠商和大學(xué)在光纖設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試和傳輸實(shí)驗(yàn)方面的研究比較深入，同時(shí)打破了單根光纖傳輸容量的世界紀(jì)錄。他們的研究開創(chuàng)了光纖通信擴(kuò)容的一種技術(shù)路線。但是，多芯光纖的接續(xù)存在難度，缺乏媲美單模光纖熔接范式的低成本的自動(dòng)化解決方案。光放大、耦合等多方面的問題也有待一一解決。因此國(guó)際通信業(yè)界也有質(zhì)疑的聲音表示多芯光纖不如多根光纖在使用方面的簡(jiǎn)單、便捷。

這些新概念光纖在探索解決未來傳輸技術(shù)“瓶頸”方面做出了有益探索，但是研究還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，還沒有研究工程化方面的課題，還需要光纖廠商、器件廠商、系統(tǒng)設(shè)備廠商等多方努力。

3 結(jié)束語

雖然多種光纖都可以實(shí)現(xiàn)超高速率、超大容量、超長(zhǎng)距離的傳輸，但是光纖通信網(wǎng)的建設(shè)還是要根據(jù)實(shí)際需求出發(fā)，選擇合適的光纖鏈路方案。從普適性方面看，G.652.D光纖可適應(yīng)從40G到100G、甚至1 Tb/s的建設(shè)，且G.652.D具有成本優(yōu)勢(shì)。從對(duì)傳輸性能提升方面看，超低損耗和大有效面積光纖可應(yīng)用于大跨段、超長(zhǎng)距離通信網(wǎng)以及海底光纜的建設(shè)。但是目前超低損耗光纖技術(shù)突破難，供應(yīng)少，成本高，應(yīng)用還很少；對(duì)系統(tǒng)傳輸帶來的益處也還有待在實(shí)際傳輸鏈路中進(jìn)行更系統(tǒng)性的研究。多芯光纖和少模光纖從空分復(fù)用的維度將進(jìn)一步提高光纖通信的容量，但是這一技術(shù)能否從實(shí)驗(yàn)室研究走向規(guī)模應(yīng)用，還需等待光纖通信行業(yè)從技術(shù)、需求和現(xiàn)實(shí)出發(fā)做大量的研究和探索。中國(guó)光纖廠商、器件廠商、系統(tǒng)設(shè)備制造商和運(yùn)營(yíng)商需要在未來的光纖通信技術(shù)研究上加強(qiáng)合作，突破關(guān)鍵技術(shù)，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，制訂國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，形成全產(chǎn)業(yè)鏈良性互動(dòng)與發(fā)展。

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